JP5159577B2 - Permanent magnet rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、2種類以上の永久磁石を使用し、そのうちの少なくとも1つの永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させて、低速から高速までの広範囲での可変速運転を可能とした永久磁石式回転電機に関する。 The present invention uses two or more types of permanent magnets, and irreversibly changes the amount of magnetic flux of at least one of the permanent magnets, thereby enabling a variable speed operation in a wide range from low speed to high speed. It relates to a rotating electrical machine.
一般に、永久磁石式回転電機は大きく分けて2種類のタイプがある。回転子鉄心の外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石式回転電機と、永久磁石を回転子鉄心の中に埋め込んだ埋め込み型永久磁石式回転電機である。可変速駆動用モータとしては、埋め込み型永久磁石式回転電機が適している。 Generally, permanent magnet type rotating electrical machines are roughly divided into two types. They are a surface magnet type permanent magnet type rotating electrical machine in which a permanent magnet is attached to the outer periphery of a rotor core, and an embedded type permanent magnet type rotating electrical machine in which a permanent magnet is embedded in a rotor core. As the variable speed drive motor, an embedded permanent magnet type rotating electrical machine is suitable.
永久磁石式回転電機では、永久磁石の鎖交磁束が常に一定の強さで発生しているので、永久磁石による誘導電圧は回転速度に比例して高くなる。そのため、低速から高速まで可変速運転する場合、高速回転では永久磁石による誘導電圧(逆起電圧)が極めて高くなる。永久磁石による誘導電圧がインバータの電子部品に印加されてその耐電圧以上になると、電子部品が絶縁破壊する。そのため、永久磁石の磁束量が耐電圧以下になるように削減された設計を行うことが考えられるが、その場合には永久磁石式回転電機の低速域での出力及び効率が低下する。 In the permanent magnet type rotating electrical machine, the interlinkage magnetic flux of the permanent magnet is always generated with a constant strength, so that the induced voltage by the permanent magnet increases in proportion to the rotational speed. Therefore, when variable speed operation is performed from low speed to high speed, the induced voltage (back electromotive voltage) by the permanent magnet becomes extremely high at high speed rotation. When the induced voltage by the permanent magnet is applied to the electronic component of the inverter and exceeds its withstand voltage, the electronic component breaks down. For this reason, it is conceivable to perform a design in which the amount of magnetic flux of the permanent magnet is reduced so as to be equal to or less than the withstand voltage.
低速から高速まで定出力に近い可変速運転を行う場合、永久磁右の鎖交磁束は一定であるので、高速回転域では回転電機の電圧が電源電圧上限に達して出力に必要な電流が流れなくなる。その結果、高速回転域では出力が大幅に低下し、さらには高速回転まで広範囲に可変速運転することができなくなる。 When performing variable speed operation close to constant output from low speed to high speed, the interlinkage magnetic flux on the right of the permanent magnet is constant, so the rotating electrical machine voltage reaches the upper limit of the power supply voltage in the high-speed rotation range, and the current required for output flows. Disappear. As a result, the output is greatly reduced in the high-speed rotation region, and further, variable speed operation cannot be performed over a wide range up to high-speed rotation.
最近では、可変速範囲を拡大する方法として、非特許文献1に記載されているような弱め磁束制御が適用され始めている。電機子巻線の総鎖交磁束量はd軸電流による磁束と永久磁石による磁束とから成る。弱め磁束制御では、負のd軸電流による磁束を発生させることによって、この負のd軸電流による磁束で全鎖交磁束量を減少させる。また、弱め磁束制御においても高保磁力の永久磁石は磁気特性(B−H特性)の動作点が可逆の範囲で変化するようにする。このため、永久磁石は弱め磁束制御の滅磁界により不可逆的に滅磁しないように高保磁力のNdFeB磁石を適用する。
Recently, as a method for expanding the variable speed range, the flux-weakening control as described in Non-Patent
弱め磁束制御を適用した運転では、負のd軸電流による磁束で鎖交磁束が減少するので、鎖交磁束の減少分が電圧上限値に対する電圧の余裕分を作る。そして、トルク成分となる電流を増加できるので高速域での出力が増加する。また、電圧余裕分だけ回転速度を上昇させることができ、可変速運転の範囲が拡大される。 In operation using the flux-weakening control, the linkage flux decreases due to the magnetic flux due to the negative d-axis current, and therefore the decrease in linkage flux creates a voltage margin with respect to the voltage upper limit value. And since the electric current which becomes a torque component can be increased, the output in a high speed region increases. Further, the rotational speed can be increased by the voltage margin, and the range of variable speed operation is expanded.
しかし、出力には寄与しない負のd軸電流を常時流し続けるため銅損が増加して効率は悪化する。さらに、負のd軸電流による滅磁界は高調波磁束を生じ、高調波磁束等で生じる電圧の増加は弱め磁束制御による電圧低減の限界を作る。これらより、埋め込み型永久磁石式回転電機に弱め磁束制御を適用しても規定速度の3倍以上の可変速運転は困難である。さらに、前述の高調波磁束により鉄損が増加し、中・高速域で大幅に効率が低下する問題がある。また、高調波磁束による電磁力で振動を発生する可能性もある。 However, since the negative d-axis current that does not contribute to the output is constantly flowing, the copper loss increases and the efficiency deteriorates. Further, the demagnetizing field due to the negative d-axis current generates a harmonic magnetic flux, and the increase in the voltage generated by the harmonic magnetic flux or the like is weakened to create a limit of voltage reduction by the magnetic flux control. Therefore, even if the flux-weakening control is applied to the embedded permanent magnet type rotating electrical machine, it is difficult to perform variable speed operation at three times the specified speed or more. Furthermore, there is a problem that the iron loss increases due to the above-described harmonic magnetic flux, and the efficiency is greatly lowered in the middle and high speed ranges. Further, there is a possibility that vibration is generated by electromagnetic force generated by the harmonic magnetic flux.
ハイブリッド自動車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、エンジンのみで駆動される状態では電動機は連れ回される。中・高速回転では電動機の永久磁石による誘導電圧が上昇するので、電源電圧以内に抑制するため、弱め磁束制御で負のd軸電流を流し続ける。この状態では、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。 When an embedded permanent magnet motor is applied to a drive motor for a hybrid vehicle, the motor is rotated when driven by an engine alone. In medium / high speed rotation, the induced voltage of the motor's permanent magnet rises. Therefore, in order to suppress it within the power supply voltage, the negative d-axis current is kept flowing by the flux weakening control. In this state, since the electric motor generates only a loss, the overall operation efficiency is deteriorated.
電車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、上と同様に永久磁石による誘導電圧を電源電圧以下にするために弱め磁束制御で負のd軸電流を流し続ける。その場合、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。 When an embedded permanent magnet motor is applied to a train drive motor, the train is in a coasting state, and in the same way as above, a negative d-axis current is controlled by a weak magnetic flux control so that the induced voltage by the permanent magnet is lower than the power supply voltage. Keep flowing. In that case, since the electric motor generates only a loss, the overall operation efficiency deteriorates.
このような問題点を解決する技術として、特許文献1や特許文献2には、固定子巻線の電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力の永久磁石(以下、可変磁力磁石という)と、可変磁力磁石の2倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石(以下、固定磁力磁石という)を配置し、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では可変磁力磁石と固定磁力磁石による全鎖交磁束が減じるように、電流による磁界で可変磁力磁石を磁化させて全鎖交磁束量を調整する技術が記載されている。
As a technique for solving such a problem,
この特許文献1の永久磁石式回転電機は、図15に記載のような構成の回転子1を備えている。すなわち、回転子1は、回転子鉄心2、8個の可変磁力磁石3及び8個の固定磁力磁石4から構成されている。回転子鉄心2は珪素鋼板を積層して構成され、可変磁力磁石3はアルニコ磁石またはFeCrCo磁石であり、固定磁力磁石4はNdFeB磁石である。
The permanent magnet type rotating electrical machine of
可変磁力磁石3は回転子鉄心2の中に埋め込まれ、可変磁力磁石3の両端部には第1の空洞5が設けられている。可変磁力磁石3は磁極間の中心軸になるq軸と一致する回転子の半径方向に沿って配置され、半径方向に対して直角方向に磁化される。固定磁力磁石4は回転子鉄心2内に埋め込まれ、固定磁力磁石4の両端部には第2の空洞6が設けられている。固定磁力磁石4は、2個の可変磁力磁石3により回転子1内周側で挟まれるように回転子1のほぼ周方向に配置されている。固定磁力磁石4は回転子1の周方向に対してほぼ直角方向に磁化されている。
The variable
回転子鉄心2の磁極部7は2個の可変磁力磁石3と1個の固定磁力磁石4で取り囲まれるようにして形成されている。回転子鉄心2の磁極部7の中心軸方向がd軸、磁極間の中心軸方向がq軸となる。この回転子1を採用した特許文献1の永久磁石式回転電機では、固定子巻線に通電時間が極短時間(100μs〜1ms程度)となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、可変磁力磁石3に磁界を作用させる。着磁磁界を250kA/mとすると、理想的には可変磁力磁石3には十分な着磁磁界が作用し、固定磁力磁石4には着磁による不可逆減磁はない。
The magnetic pole portion 7 of the
その結果、特許文献1の永久磁石式回転電機では、回転子1のd軸電流により可変磁力磁石3の鎖交磁束量を最大から0まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできる。すなわち、固定磁力磁石4の鎖交磁束を正方向とすると、可変磁力磁石3の鎖交磁束を正方向の最大値から0、さらには逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。従って、本実施の形態の回転子では、可変磁力磁石3をd軸電流で着磁することにより可変磁力磁石3と固定磁力磁石4を合わせた全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。
As a result, in the permanent magnet type rotating electrical machine disclosed in
例えば、低速域では可変磁力磁石3は固定磁力磁石4の鎖交磁束と同方向(初期状態)で最大値になるようにd軸電流で磁化することにより、永久磁石によるトルクは最大値になるので、回転電機のトルク及び出力を最大にすることができる。中・高速域では、可変磁力磁石3の磁束量を低下させ、全鎖交磁束量を下げることにより、回転電機の電圧は下がるので、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度(周波数)をさらに高くすることが可能となる。
前記のような構成を有する特許文献1の永久磁石式回転電機は、回転子1のd軸電流により、可変磁力磁石3の鎖交磁束量を最大から0まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできるという優れた特性を有する。その反面、可変磁力磁石3を増磁させる場合に大きな磁化電流が必要となり、電動機を駆動するためのインバータの大型化を招くことになる。
In the permanent magnet type rotating electrical machine of
特に、永久磁石の特性上、減磁の場合よりも増磁の場合に大きな磁化電流が要求されるが、特許文献1の永久磁石式回転電機は、2種類の磁石が磁気的に並列に配置された構成のため、固定磁力磁石4の鎖交磁束の影響で、可変磁力磁石3の増磁に大きな磁界が必要となる。
In particular, due to the characteristics of the permanent magnet, a large magnetizing current is required when the magnet is increased than when the magnet is demagnetized. However, in the permanent magnet type rotating electrical machine disclosed in
図16(A)から(D)は、そのことを説明する模式図である。特許文献1の永久磁石式回転電機では、図16(A)のように、2つの可変磁力磁石3と1つの固定磁力磁石4とが、d軸を中心としてU字形に配置されている。電動機の通常の運転状態では、可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4の磁束の方向は、中心の磁極部7の方を向いている。この状態で、d軸電流をパルス的に流して、減磁用の磁界を発生すると、その磁束は図16(B)のように、回転子1の外周側から可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4を貫くように発生し、それによって、可変磁力磁石3は減磁される。このとき、固定磁力磁石4は、保磁力が高いため、減磁されることはない。
FIGS. 16A to 16D are schematic views for explaining this. In the permanent magnet type rotating electric machine of
この減磁の場合、図16(C)のように、固定磁力磁石4の磁束は、d軸方向と共に可変磁力磁石3の内側から外側に向かって、可変磁力磁石3の当初の磁束の向きとは逆に流れるので、d軸電流の作る磁界による減磁作用を補助する。そのため、可変磁力磁石3の極性を反転させるまでの減磁が可能である。
In the case of this demagnetization, as shown in FIG. 16C, the magnetic flux of the fixed magnetic magnet 4 is changed from the inner direction of the variable
一方、増磁の場合には、d軸電流を再びパルス的に印加することで、前記とは逆方向の磁界を発生させ、その磁界を構成する逆方向の磁束によって、減磁した可変磁力磁石3の鎖交磁束を前記(A)の通常運転時の状態に戻す。しかし、本来、減磁に比較して増磁のためのエネルギーが大きく必要な上、図16(C)のように、可変磁力磁石3には固定磁力磁石4の磁束が減磁方向に加わっているため、これに打ち勝つだけの大きな磁界を生成することのできる磁化電流が必要となる。
On the other hand, in the case of magnetization, a variable magnetic force magnet demagnetized by a reverse magnetic flux that generates a magnetic field in the opposite direction by applying a d-axis current again in a pulsed manner. The
このように、特許文献1の永久磁石式回転電機は、2種類の磁石を磁気的に並列に配置したため、可変磁力磁石3の減磁量を大きくとることができ、磁力の変化幅を0〜100%のように大きくすることができる利点はあるものの、増磁時に必要とする磁化電流が大きいという問題があった。
Thus, since the permanent magnet type rotating electrical machine of
このような問題は、増磁時に限らず、可変磁力磁石3の減磁時においても少なからず発生するものであって、可変磁力磁石3の磁束量を効率よく行える永久磁石式回転電機の出現が望まれていた。
Such a problem occurs not only when the magnetism is increased but also when the variable
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、可変磁力磁石の増磁時における磁化電流を減少させることで、インバータの大型化を必要とすることなく、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上を可能とした永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and by reducing the magnetizing current at the time of magnetizing the variable magnetic force magnet, it is possible to increase the speed of the inverter from low speed to high speed without requiring an increase in the size of the inverter. It is an object of the present invention to provide a permanent magnet type rotating electrical machine that can be operated at a variable speed in a wide range, can increase torque in a low-speed rotation region, increase output in a medium / high-speed rotation region, and improve efficiency.
本発明は、保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる2種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、前記2種類以上の永久磁石を磁気回路上で直列に配置し、この直列に配置された2種類以上の永久磁石に対して、前記2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を磁気回路上で並列に配置し、電機子巻線の電流が作る磁界により、前記直列に配置された2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて、磁極を構成する永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする。 In the present invention, a magnetic pole of a rotor is formed using two or more types of permanent magnets having a product of a coercive force and a magnetization direction thickness different from those of other permanent magnets, and the two or more types of permanent magnets are connected in series on a magnetic circuit. For two or more types of permanent magnets arranged in series, among the two or more types of permanent magnets, permanent magnets having a large product of coercive force and magnetization direction thickness are arranged in parallel on the magnetic circuit. The magnetic field generated by the current of the armature winding magnetizes the permanent magnet having a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness among the two or more types of permanent magnets arranged in series to form a magnetic pole. The magnetic flux amount of the permanent magnet is irreversibly changed.
本発明において、回転子の各磁極ごとに2種類以上の永久磁石を磁気回路上で直並列に配置すること、複数の磁極の間で2種類以上の永久磁石を磁気回路上で直並列に配置することも可能である。また、各磁極に、磁気障壁を設けたり、短絡コイルを設けることも可能である。 In the present invention, two or more kinds of permanent magnets are arranged in series and parallel on the magnetic circuit for each magnetic pole of the rotor, and two or more kinds of permanent magnets are arranged in series and parallel on the magnetic circuit between the plurality of magnetic poles. It is also possible to do. Further, it is possible to provide a magnetic barrier or a short-circuit coil for each magnetic pole.
以上のような構成を有する本発明によれば、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石の減磁時および増磁時の磁化電流の増加を抑止できるので、回転機の効率化を達成することができる。 According to the present invention having the above-described configuration, an increase in the magnetizing current at the time of demagnetization and magnetization of a permanent magnet having a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness can be suppressed. Can be achieved.
以下、本発明に係る永久磁石式型回転電機の実施の形態について、図1〜12を参照して説明する。本実施の形態の回転電機は12極の場合で説明しており、他の極数でも同様に適用できる。 Hereinafter, an embodiment of a permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention will be described with reference to FIGS. The rotating electrical machine of the present embodiment has been described in the case of 12 poles, and can be similarly applied to other pole numbers.
(1.第1の実施の形態)
(1−1.構成)
本発明の第1の実施の形態について、図1を用いて説明する。
(1. First embodiment)
(1-1. Configuration)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本発明の第1の実施の形態の回転子1は、図1に示すように回転子鉄心2、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石3(以下、可変磁力磁石という)、保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石(以下、固定磁力磁石という)4a,4bから構成する。回転子鉄心2は珪素鋼板を積層して構成し、前記の可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4a,4bは回転子鉄心2内に埋め込む。
The
回転子鉄心2内を通過する磁束が可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4a,4bの部分をその厚さ方向に通過するように、可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4a,4bの端部に空洞6を設ける。回転子鉄心2の磁極部7は1個の可変磁力磁石3と3個の固定磁力磁石4a,4bで取り囲まれるようにして形成する。回転子鉄心2の磁極部7の中心軸方向がd軸、磁極間の中心軸方向がq軸となる。
A cavity is formed at the ends of the variable
可変磁力磁石3はフェライト磁石またはアルニコ磁石を使用することができる。固定磁力磁石4a,4bは、NdFeB磁石とする。本実施の形態では、フェライト磁石の保磁力は280kA/mとし、NdFeB磁石の保磁力は1000kA/mとする。
The variable
可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを各磁石の磁化方向に重ね合わせて1つの磁石を構成する。すなわち、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aが磁化方向を同じくして、磁気的に直列に配置する。この直列に重ねた磁石は、磁化方向がd軸方向(ここでは、ほぼ回転子の半径方向)となる位置で回転子鉄心2内に配置する。一方、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを直列に重ねた磁石の両側に、固定磁力磁石4b,4bを磁化方向がd軸方向となる位置で配置する。この横に配置した固定磁力磁石4b,4bは、前記直列に重ねた磁石に対して、磁気回路上で並列回路を構成する。すなわち、磁気回路上では、可変磁力磁石3に対して、直列に固定磁力磁石4aを、並列に固定磁力磁石4b,4bを配置する。
The variable
前記回転子鉄心2内に埋め込まれた、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを積層した磁石と、両側の固定磁力磁石4b,4bとを取り囲むようにその上側及び下側に短絡コイル8を設ける。この時、短絡コイル8が固定磁力磁石4b,4bの磁化方向が中心軸となるようにする。この短絡コイル8は、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心2内に設けた空洞6の縁の部分にはめ込むように装着する。なお、回転子鉄心2の穴に高温で溶けた導電性部材を流し込んで鋳造して製作することも可能である。この短絡コイル8は、可変磁力磁石3を除いた他の固定磁力磁石4b,4bの磁路部分に設ける。
Short circuit coils 8 are provided on the upper side and the lower side so as to surround the magnet in which the variable
この短絡コイル8は、電機子巻線にd軸電流を通電させた場合に発生する磁束で、短絡電流が発生するものである。短絡コイル8に流れる短絡電流は、不可逆変化させる永久磁石3の磁化が変化する程度の強さで1秒以内に流れ、その後1秒以内に50%以上減衰するものであることが好ましい。また、前記短絡コイル8のインダクタンス値と抵抗値を、可変磁力磁石3の磁化が変化する程度の短絡電流が流れるような値とすると、効率が良い。
The short-
前記回転子2の外周には、エアギャップを介して固定子10を設ける。この固定子10は、電機子鉄心11と電機子巻線12とを有する。この電機子巻線12に流れる磁化電流により、前記短絡コイル8には誘導電流が誘起され、その誘導電流によって短絡コイル8を貫通する磁束が形成される。また、この電機子巻線12に流れる磁化電流により、可変磁力磁石3の磁化方向が不可逆的に変化する。
A
すなわち、可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4aに対しては、永久磁石式回転電機の運転時において、d軸電流による磁界で可変磁力磁石3を磁化させて、その磁束量を不可逆的に変化させる。その場合、可変磁力磁石3を磁化するd軸電流を流すと同時にq軸電流により回転電機のトルクを制御する。
That is, for the variable
また、d軸電流で生じる磁束により、電流(q軸電流とd軸電流とを合成した全電流)と可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4a,4bとで生じる電機子巻線の鎖交磁束量、すなわち、回転電機の全電流によって電機子巻線に生じる磁束と、回転子側の2種類以上の永久磁石4a,4bによって生じる磁束とから構成される電機子巻線全体の鎖交磁束量をほぼ可逆的に変化させる。
Also, the amount of interlinkage magnetic flux in the armature winding generated by the current (the total current obtained by combining the q-axis current and the d-axis current) and the variable
特に、本実施の形態では、瞬時の大きなd軸電流による磁界で可変磁力磁石3を不可逆変化させる。この状態で不可逆減磁がほとんど生じないか、僅かの不可逆減磁が生じる範囲のd軸電流を連続的に流して運転する。このときのd軸電流は電流位相を進めて端子電圧を調整するように作用する。
In particular, in the present embodiment, the variable
また、大きなd軸電流で可変磁力磁石3の極性を反転させ、電流位相を進める運転制御方法を行う。このようにd軸電流で可変磁力磁石3の極性を反転させているので、端子電圧を低下させるような負のd軸電流を流しても、可変磁力磁石3にとっては減磁界ではなく増磁界となる。すなわち、負のd軸電流で可変磁力磁石3は減磁することなく、端子電圧の大きさを調整することができる。
Further, an operation control method is performed in which the polarity of the variable
一般の磁石モータでは磁石の極性は反転していないので電流位相を進めることによりd軸電流が増加すると、磁石が不可逆減磁する問題があるが、本実施の形態においては、可変磁力磁石3の極性を反転させて位相を進めることが可能である。 In a general magnet motor, since the polarity of the magnet is not reversed, if the d-axis current increases by advancing the current phase, there is a problem that the magnet is irreversibly demagnetized. It is possible to advance the phase by reversing the polarity.
(1−2.基本的な作用)
次に、第1の実施の形態において、作用を説明する。
本実施の形態では、固定子の電機子巻線に通電時間が極短時間(0.1ms〜100ms程度)となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、可変磁力磁石3に磁界を作用させる。可変磁力磁石3を磁化するための磁界を形成するパルス電流は固定子の電機子巻線のd軸電流成分とする。
(1-2. Basic action)
Next, the operation of the first embodiment will be described.
In the present embodiment, a magnetic field is formed by applying a pulsed current having a very short energization time (about 0.1 ms to 100 ms) to the armature winding of the stator, and the magnetic field is applied to the variable
2種類の永久磁石4a,4bの厚みはほぼ同等するとd軸電流による作用磁界による永久磁石の磁化状態変化は保磁力の大きさにより変わる。すなわち、作用磁界による永久磁石の磁化状態変化は、保磁力の大きさと永久磁石の厚みの積で概算する。本実施形態では、フェライト磁石の保磁力は300kA/mとし、NdFeB磁石の保磁力は1000kA/mとする。また、磁化方向の磁石厚みは同一で5mmとする。磁化に要する起磁力は磁化に要する磁界と永久磁石の厚みの積で概算するが、フェライト磁石の90%の着磁磁界は約350kA/mなので、磁化に要する起磁力は350kA/m×5×10−3=1750Aとなる。一方、NdFeB磁石の90%の着磁磁界は約1500kA/mなので磁化に要する起磁力は1500kA/m×5×10−3=7500Aとなる。
If the thicknesses of the two types of
可変磁力磁石3であるフェライト磁石の磁力可変に必要な起磁力は、固定磁力磁石4a,4bであるNdFeB磁石の約20%となる。従って、フェライト磁石の磁力を可変できる電流では、NdFeB磁石の磁力は変わらずに維持できる。これより、これらの磁石を直列に組み合わせて磁石を構成すると、NdFeB磁石の磁力をベース分として維持して、フェライト磁石の磁力を変化させることにより、永久磁石の全鎖交磁束量を調整できる。
The magnetomotive force required to change the magnetic force of the ferrite magnet that is the variable
初めに磁石の磁化方向とは逆方向の磁界を発生する負のd軸電流を電機子巻線にパルス的に通電させる。負のd軸電流によって変化した磁石内の磁界が175kA/mになったとすると、フェライト磁石の保磁力が175kA/mなのでフェライト磁石の磁力は不可逆的に大幅に低下する。一方、NdFeB磁石の保磁力が1500kA/mなので磁力は不可逆的に低下しない。その結果、パルス的なd軸電流が0になるとフェライト磁石のみが減磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を減少することができる。 First, a negative d-axis current that generates a magnetic field in a direction opposite to the magnetization direction of the magnet is applied to the armature winding in a pulsed manner. If the magnetic field in the magnet changed by the negative d-axis current is 175 kA / m, the magnetic force of the ferrite magnet is irreversibly greatly reduced because the coercive force of the ferrite magnet is 175 kA / m. On the other hand, since the coercive force of the NdFeB magnet is 1500 kA / m, the magnetic force does not decrease irreversibly. As a result, when the pulsed d-axis current becomes 0, only the ferrite magnet is demagnetized, and the amount of flux linkage by the entire magnet can be reduced.
つぎに、永久磁石の磁化方向と同方向の磁界を発生する正のd軸電流を電機子巻線に通電する。フェライト磁石が着磁するために必要な磁界を発生させる。正のd軸電流によって変化した磁石内の磁界が350kA/mとすると、減磁していたフェライト磁石は着磁されて最大に磁力を発生する。一方、NdFeB磁石の保磁力が1500kA/mなので磁力は不可逆的に変化しない。その結果、パルス的な正のd軸電流が0になるとフェライト磁石のみが増磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を増加することができる。これにより元の最大の鎖交磁束量に戻すことが可能となる。 Next, a positive d-axis current that generates a magnetic field in the same direction as the magnetization direction of the permanent magnet is applied to the armature winding. A magnetic field necessary for magnetizing the ferrite magnet is generated. When the magnetic field in the magnet changed by the positive d-axis current is 350 kA / m, the demagnetized ferrite magnet is magnetized to generate a maximum magnetic force. On the other hand, since the coercive force of the NdFeB magnet is 1500 kA / m, the magnetic force does not change irreversibly. As a result, when the pulsed positive d-axis current becomes zero, only the ferrite magnet is magnetized, and the amount of flux linkage by the entire magnet can be increased. This makes it possible to return to the original maximum flux linkage.
以上のようにd軸電流による瞬時的な磁界をフェライト磁石とNdFeB磁石に作用させることにより、フェライト磁石の磁力を不可逆的に変化させて、永久磁石の全鎖交磁束量を任意に変化させることが可能となる。 As described above, by applying an instantaneous magnetic field due to the d-axis current to the ferrite magnet and the NdFeB magnet, the magnetic force of the ferrite magnet is irreversibly changed, and the total interlinkage magnetic flux amount of the permanent magnet is arbitrarily changed. Is possible.
この場合、永久磁石式回転電機の最大トルク時には磁極の永久磁石の磁束が加え合わせになるように可変磁力磁石3を磁化させ、トルクの小さな軽負荷時や、中速回転域と高速回転域では、前記可変磁力磁石3は、電流による磁界で磁化させて磁束を減少させる。また、磁極の磁石を不可逆変化させて鎖交磁束を最小にした状態で回転子が最高回転速度になったときに、永久磁石による誘導起電圧が、回転電機の電源であるインバータ電子部品の耐電圧以下とする。
In this case, the variable
(1−3.直列配置の作用)
本実施の形態では、2種類の磁石を磁気的に直列に配置しているので、可変磁力磁石3の減磁及び増磁の際に、前記特許文献1の永久磁石式回転電機とは異なる作用を有する。この点を図2〜8により説明する。
(1-3. Action of serial arrangement)
In the present embodiment, since two types of magnets are magnetically arranged in series, when the variable
図2は、減磁前の最大の鎖交磁束量を得ている場合の図である。この場合、2種類の永久磁石3,4aの磁化方向は同一であるため、両方の永久磁石3,4aの磁束が加え合わせになって、最大の磁束量が得られる。
FIG. 2 is a diagram in a case where the maximum amount of flux linkage before demagnetization is obtained. In this case, since the magnetization directions of the two types of
図3は、減磁時の状態を示すもので、電機子巻線によりd軸方向から両方の永久磁石3,4aの磁化方向とは逆方向の磁界を発生する負のd軸電流を電機子巻線にパルス的に通電させる。負のd軸電流によって変化した磁石内の磁界が175kA/mになったとすると、可変磁力磁石3(フェライト磁石)の保磁力が175kA/mなので可変磁力磁石3の磁力は不可逆的に大幅に低下する。この場合、可変磁力磁石3には、それに積層した固定磁力磁石4aからの磁界が加わっており、これが減磁のためのd軸方向から加わる磁界と打ち消し合うことになるため、その分大きな磁化電流が必要となるが、減磁のための磁化電流は増磁時に比較して少なくて済むので、磁化電流の増加は少ない。
FIG. 3 shows a state at the time of demagnetization, and the armature generates a negative d-axis current that generates a magnetic field in a direction opposite to the magnetization direction of both
図4は、負のd軸電流により逆磁界での可変磁力磁石3の磁力が減少した状態を示すものである。可変磁力磁石3の磁力は不可逆的に大幅に低下するが、固定磁力磁石4a(NdFeB磁石)の保磁力が1500kA/mなので磁力は不可逆的に低下しない。その結果、パルス的なd軸電流が0になると可変磁力磁石3のみが減磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を減少することができる。
FIG. 4 shows a state in which the magnetic force of the variable
図5は、負のd軸電流により逆磁界での可変磁力磁石3の磁力が逆方向に磁化し、全体の磁石による鎖交磁束が最小になった状態を示すものである。負のd軸電流の大きさが可変磁力磁石3が着磁するために必要な350kA/mの磁界を発生しているならば、減磁していた可変磁力磁石3は着磁されて磁力を発生する。この場合、2種類の永久磁石3,4aの磁化方向が逆であるため、両方の永久磁石の磁束が減算され、磁束が最小となる。
FIG. 5 shows a state in which the magnetic force of the variable
図6は、負のd軸電流で極性が反転した可変磁力磁石3の磁力を減少させるために磁界を発生させた状態を示すものである。固定磁力磁石4aの磁化方向の磁界を発生する正のd軸電流を電機子巻線にパルス的に通電させる。正のd軸電流によって変化した磁石内の磁界が極性が反転した可変磁力磁石3の磁力を不可逆的に大幅に低下する。この場合、可変磁力磁石3に積層されている固定磁力磁石4aからの磁界が磁化電流による磁界と加え合わせになる(固定磁力磁石4aからバイアス的な磁界が可変磁力磁石3に作用する)ため、可変磁力磁石3の減磁が容易に行われる。
FIG. 6 shows a state where a magnetic field is generated in order to reduce the magnetic force of the variable
図7は、正のd軸電流による磁界で極性反転した可変磁力磁石3の磁力が減少した状態を示すものである。可変磁力磁石3の磁力を不可逆的に低下させる正のd軸電流による磁界には、固定磁力磁石4aによる磁界も加わっている。そのため、通常は大きな磁化電流を必要とする時においても、固定磁力磁石4aの作用により、磁化電流の増大を抑止できる。
FIG. 7 shows a state where the magnetic force of the variable
図8は、正のd軸電流により可変磁力磁石3が逆方向に磁化(極性が再度反転)し、全体の磁石による鎖交磁束が最大になった状態を示すものである。2種類の永久磁石3,4aの磁化方向は同一であるため、両方の永久磁石の磁束が加え合わせになって、最大の磁束量が得られる。
FIG. 8 shows a state in which the variable
(1−4.可変磁力磁石の作用)
次に、可変磁力磁石3の作用について述べる。図9は、代表的な磁石であるNdFeB磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマコバ磁石の磁気特性(保磁力と磁束密度との関係)を示したグラフである。この中で、本発明の固定磁力磁石4としてNdFeB磁石を、可変磁力磁石3としてフェライト磁石、アルニコ磁石、サマコバ磁石(サマリウムコバルト磁石)を使用することができる。なお、本実施の形態では、可変磁力磁石3として、フェライト磁石3を使用する。
(1-4. Action of variable magnetic magnet)
Next, the operation of the variable
可変磁力磁石3は、低保磁力であっても、可変磁力磁石3のみの状態のときは高磁束密度であるが、固定磁力磁石4を並列に配置した状態では、その作用で可変磁力磁石3の動作点は低下し、その磁束密度が低下する。これに対して、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを直列に積層した状態では、直列に積層した固定磁力磁石4aの作用で、可変磁力磁石3の磁石の動作点は上昇し、磁束密度が上昇する。
Even if the variable
すなわち、低保磁力で高磁束密度の磁石であるアルニコ磁石またはサマコバ磁石の動作点は、可変磁力磁石3のみの状態では高磁束密度側(図9のA,B)にあるが、固定磁力磁石4b,4bを並列に配置した状態では低磁束密度側(図9のA’,B’)に低下する。しかし、本実施の形態のように、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを直列に積層した状態では、並列に配置された固定磁力磁石4b,4bと、直列に配置された固定磁力磁石4aの磁界の向きが逆方向であるため、両者の磁界は相殺され、可変磁力磁石3の動作点は高磁束密度側(図9のA”,B”)に移動する。
That is, the operating point of the Alnico magnet or the Samacoba magnet, which is a magnet having a low coercive force and a high magnetic flux density, is on the high magnetic flux density side (A and B in FIG. 9) when only the variable
このグラフから分かるように、可変磁力磁石3として、アルニコ磁石やサマコバ磁石を単独で使用した場合には、動作点A,B点から磁束密度を下げるためには、その保磁力に打ち勝つだけの磁力を電機子巻線のd軸電流による磁界で発生させる必要があり、大きなd軸電流が必要となる。しかし、本実施の形態のように、並列に配置された固定磁力磁石4b,4bと、直列に配置された固定磁力磁石4aによって、可変磁力磁石3の動作点は図中A”に移動することになるので、磁界の強さをわずかに変化するだけでその磁束密度が急激に低下することになる。これにより、電機子巻線のd軸電流により逆磁界で可変磁力磁石3の磁力が減少した場合に、その磁束密度の変化を大きくすることができるので、少ないd軸電流によって、磁極内に配置された永久磁石全体による鎖交磁束量を大きく変化させることができる。
As can be seen from this graph, when an Alnico magnet or a Samacoba magnet is used alone as the variable
フェライト磁石は、アルニコ磁石と比較して保磁力が大きいため、永久磁石の鎖交磁束が増加させる方向に極性を反転させた場合に要する磁化電流が大きくなる。しかし、本実施の形態では、直列に配置した固定磁力磁石の作用により少ない磁化電流で磁力を反転できる。 Since the ferrite magnet has a larger coercive force than the alnico magnet, the magnetization current required when the polarity is reversed in the direction in which the interlinkage magnetic flux of the permanent magnet is increased. However, in this embodiment, the magnetic force can be reversed with a small magnetization current by the action of the fixed magnetic magnets arranged in series.
この点は、図9に示すフェライト磁石を可変磁力磁石3として使用した場合も同様であって、アルニコ磁石やサマコバ磁石のような急激な変化は無いものの、フェライト磁石単独で使用した場合に比較すると、その動作点C”が低下するので、少ないd軸電流で磁束密度を低下させることができる。
This point is the same when the ferrite magnet shown in FIG. 9 is used as the variable
(1−5.磁気障壁の作用)
固定磁力磁石4a,4bの外周部に設けられた磁気障壁の作用について、図10について述べる。磁気障壁となる空洞5,6は、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを積層した磁石の外周部になく、並列に配置した固定磁力磁石4b,4b外周部に設けられている。固定磁力磁石4b,4bは磁気障壁があるので、d軸電流による磁界は小さくなる。
(1-5. Action of magnetic barrier)
The action of the magnetic barrier provided on the outer periphery of the fixed
一方、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを積層した磁石の周りには磁気障壁がないのでd軸電流により生じる磁界は高くできる。これより、d軸電流による磁界Aを効果的に可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを積層した磁石に作用させることができる。また、d軸電流により増加する磁束に関しても、固定磁力磁石4b,4bを通る磁束量の増加を抑制できるので、鉄心の磁気飽和を緩和でき、可変磁力磁石3の磁化を変化させるためのd軸電流も低減できる。
On the other hand, since there is no magnetic barrier around the magnet in which the variable
また、図11に示すように、q軸磁束Bが磁石外周部の鉄心を横切るように分布するが、磁気障壁となる空洞5,6があるので磁路断面積が狭くなって磁気抵抗が高くなる。従って、q軸インダクタンスを小さくすることができ、端子電圧を下げることができる。
In addition, as shown in FIG. 11, the q-axis magnetic flux B is distributed so as to cross the iron core on the outer periphery of the magnet. However, since there are
(1−6.短絡コイルの作用)
つぎに、図12により、短絡コイル8の作用について述べる。可変磁力磁石3と固定磁力磁石4a,4bは、回転子鉄心2内に埋め込まれて磁気回路を構成しているので、前記d軸電流による磁界は可変磁力磁石3のみでなく、固定磁力磁石4a,4bにも作用する。本来、前記d軸電流による磁界は可変磁力磁石3の磁化を変化させるために行う。
(1-6. Action of short-circuit coil)
Next, the operation of the short-
そこで、前記d軸電流による磁界が固定磁力磁石4b,4bに作用しないようにし、可変磁力磁石3に集中するようにすればよい。本実施の形態では、固定磁力磁石4b,4bの上側と下側に短絡コイル8を配置する。短絡コイルは固定磁力磁石4b,4bの磁化方向を中心軸として配置する。前記d軸電流による磁界が固定磁力磁石4b,4bに作用すると、前記磁界を打ち消すような誘導電流が短絡コイル8に流れる。従って、固定磁力磁石4b,4b中には前記d軸電流による磁界と短絡電流による磁界で、磁界の増減はほとんど生じない。さらに短絡電流による磁界は可変磁力磁石3にも作用し、d軸電流による磁界と同方向になる。
Therefore, the magnetic field due to the d-axis current may be prevented from acting on the fixed
従って、可変磁力磁石3を磁化させる磁界が強まり、少ないd軸電流で可変磁力磁石3を磁化できることになる。また、短絡コイルにより固定磁力磁石4b,4bは前記d軸電流の影響を受けず、磁束の増加はほとんど生じないので、前記d軸電流による電機子鉄心の磁気飽和も緩和できる。
Therefore, the magnetic field that magnetizes the variable
なお、固定磁力磁石4b,4bの下面(回転子の内周側)に、前記短絡コイル8に代えて導電性の板を設けることもできる。導電性の板として、銅板またはアルミ板を使用することが好ましい。また、導電性の板は、固定磁力磁石4b,4bの下面に限らず、上面(回転子の外周側)に配置しても良いが、上面に設けると、電流高調波やスロット高調波で導電性板に誘導電流が生じて前記高調波を低減できるメリットがある。
In addition, instead of the short-
このような構成では、磁化電流によって発生した磁界が導電性の板に加わると、導電性の板の表面には誘導電流(渦電流)が発生し、それによって、前記短絡コイル8と同様な磁界が発生する。その磁界により、固定磁力磁石4b,4b中には前記d軸電流による磁界と短絡電流による磁界で、磁界の増減はほとんど生じない。さらに短絡電流による磁界は可変磁力磁石3にも作用し、d軸電流による磁界と同方向になる。同時に、電機子鉄心11の磁気飽和を緩和する作用も発揮される。
In such a configuration, when a magnetic field generated by the magnetizing current is applied to the conductive plate, an induced current (eddy current) is generated on the surface of the conductive plate, whereby the same magnetic field as that of the short-
(1−7.エアギャップ長の作用)
第1の実施の形態では、図1に示すように、固定磁力磁石4b,4bが配置された近傍のエアギャップ長L1は、可変磁力磁石3が配置された近傍のエアギャップ長L2よりも長くした構成とする。
(1-7. Action of air gap length)
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the air gap length L1 in the vicinity where the fixed
本実施の形態では、d軸電流による磁界は可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4aに作用させることを目的としているが、漏れ磁界も生じる。そのため、本実施の形態ではq軸近傍のエアギャップ長L2をd軸近傍のエアギャップ長L1よりも大きくしている。すなわち、エアギャップ長は可変磁力磁石3が配置された近傍で短くなっているので、エアギャップ部分の磁気抵抗が小さくなる。
In the present embodiment, the magnetic field due to the d-axis current is intended to act on the variable
従って、磁石を磁化させるためのd軸電流による磁界は、d軸部に配置された可変磁力磁石3に集中させることができ、同時に高い磁界を作用させることができ、少ないd軸電流で可変磁力磁石3を効果的に磁化できる。また、q軸側の磁気抵抗が大きくできるので、回転電機のインダクタンスを低減でき、力率を向上できる。他の実施例として、q軸方向の磁気抵抗を大きくするような非磁性部分を回転子鉄心内に設けてもよい。
Accordingly, the magnetic field generated by the d-axis current for magnetizing the magnet can be concentrated on the variable
(1−8.効果)
以上のような構成並びに作用を有する本実施の形態においては、次の効果が得られる。(1)増磁時の磁化電流の増加を抑止できるので、永久磁石式回転電機を駆動するためのインバータの大型化を必要とせず、現状のインバータをそのまま使用して、運転の効率化が可能となる。
(2)d軸電流で可変磁力磁石3を不可逆的に変化させることにより、固定磁力磁石4aと固定磁力磁石4b,4bを合わせた全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。
(1-8. Effect)
In the present embodiment having the configuration and operation as described above, the following effects can be obtained. (1) Since the increase in the magnetizing current at the time of magnetizing can be suppressed, it is not necessary to increase the size of the inverter for driving the permanent magnet type rotating electric machine, and the current inverter can be used as it is to improve the operation efficiency. It becomes.
(2) By irreversibly changing the variable
(3)永久磁石の全鎖交磁束量の調整は回転電機の電圧を広範囲に調整することを可能とし、また、着磁は極短時間のパルス的な電流で行うことにより、常時弱め磁束電流を流し続ける必要もないので損失を大幅に低減できる。また、従来のように弱め磁束制御を行う必要がないので高調波磁束による高調波鉄損も発生しない。以上により、本実施の形態の回転電機は、高出力で低速から高速までの広範囲の可変速運転を可能とし、広い運転範囲において高効率も可能となる。 (3) The adjustment of the total interlinkage magnetic flux of the permanent magnet makes it possible to adjust the voltage of the rotating electrical machine over a wide range, and the magnetization is always weakened by performing a pulse current in an extremely short time. Since it is not necessary to continue the flow, the loss can be greatly reduced. Further, since it is not necessary to perform the flux-weakening control as in the prior art, harmonic iron loss due to the harmonic magnetic flux does not occur. As described above, the rotating electrical machine according to the present embodiment enables high-output, wide-range variable speed operation from low speed to high speed, and high efficiency in a wide operation range.
(4)永久磁石による誘導電圧に関しては、可変磁力磁石3を負のd軸電流で着磁して永久磁石の全鎖交磁束量を小さくできるので、永久磁石の誘導電圧によるインバータ電子部品の破損がなくなり、信頼性が向上する。
(4) Regarding the induced voltage due to the permanent magnet, the variable
(5)回転電機が無負荷で連れ回される状態では、可変磁力磁石3を負のd軸電流で着磁して永久磁石の全鎖交磁束量を小さくできる。これより、誘導電圧は著しく低くなり、誘導電圧を下げるための弱め磁束電流を常時通電する必要がほとんどなくなり、総合効率が向上する。特に惰行運転時間が長くなる通勤電車に本実施の形態の回転電機を搭載して駆動すると、総合運転効率は大幅に向上する。
(5) In a state where the rotating electrical machine is rotated with no load, the total magnetic flux linkage of the permanent magnet can be reduced by magnetizing the variable
(2.第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態について、図13を用いて説明する。
本実施の形態は、図13のように、可変磁力磁石3の両側に固定磁力磁石4b,4bを並べて回転子の第1の磁極を構成する。一方、前記第1の磁極と隣接して、固定磁力磁石4aを配置して第2の磁極を構成する。これら隣接する第1と第2の磁極における固定磁力磁石4a,4bの極性は、回転子の外周側及び内周側でそれぞれ異なった極性となるように配置する。
(2. Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, the fixed
すなわち、可変磁力磁石3の両側に固定磁力磁石4b,4bを配置した第1の磁極と、この第1の磁極の両側に配置され、第1の磁極の固定磁力磁石4b,4bとはその極性が異なる固定磁力磁石4aを用いて構成された第2の磁極とから、回転子の磁極が形成される。また、第1の磁極内では、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4b,4bが磁気回路上で並列に配置され、第1の磁極の可変磁力磁石3と第2の磁極に配置された固定磁力磁石4aが磁気回路上で直列に配置される。
That is, a first magnetic pole in which fixed
以上のような構成を有する本実施の形態では、可変磁力磁石3は回転子の1つの極内では、固定磁力磁石と直列に配置されていない。しかし、可変磁力磁石3は隣接する極の固定磁力磁石4aの磁界の影響を受けるので、前記実施の形態のように固定磁力磁石4aを積層した場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、隣接する回転子の極の固定磁力磁石4aの磁界は、可変磁力磁石3内部では、可変磁力磁石3に対して並列に配置された固定磁力磁石4b,4bの磁界とは逆方向であり、互いに相殺するように作用する。これにより、可変磁力磁石3を不可逆減磁させた状態から増磁させて元の極性に戻す場合に、変化を妨げるような隣接する固定磁力磁石4b,4bによる磁界を小さくできるので、可変磁力磁石3の磁力を変化させるときに要する磁化電流(d軸電流)を低減できる。
In the present embodiment having the above-described configuration, the variable
(3.第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態について、図14を用いて説明する。
本実施の形態は、図14のように、1つの固定磁力磁石4bを磁化方向がd軸方向(ここでは、ほぼ回転子の半径方向)となる位置(固定子鉄心の中心部)となるように、回転子鉄心2内に配置する。一方、可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを直列に重ねた磁石を固定磁力磁石4bの両側に、磁化方向がd軸方向となる位置で配置する。この両側に配置した可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを積層した磁石は、前記磁極中心部の固定磁力磁石4bに対して、磁気回路上で並列回路を構成する。
(3. Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, as shown in FIG. 14, the single
なお、回転子鉄心2内を通過する磁束が可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4aの部分をその厚さ方向に通過するように、可変磁力磁石3及び固定磁力磁石4aの端部に空洞6を設ける。
The
以上のような構成を有する本実施の形態では、前記の実施の形態と同様な作用効果に加えて、磁極に対して左右に可変磁力磁石3と固定磁力磁石4aを積層した磁石が配置されるので、左右の片側ずつ2回に分けて可変磁力磁石3の磁化が可能になる。その結果、可変磁力磁石3の極性変化を妨げることになる固定磁力磁石4bは、並列に配置された1つだけになる。すなわち、固定磁力磁石4bが2つ配置された前記実施の形態に比べ、可変磁力磁石3の極性変化を妨げる固定磁力磁石4bによる磁界を小さくできるので、可変磁力磁石3の磁力を変化させるときに要する磁化電流(d軸電流)を低減することができる。
In the present embodiment having the above-described configuration, in addition to the same effects as the above-described embodiment, a magnet in which the variable
(4.他の実施の形態)
本発明は、前記の各実施の形態に限定されるものではなく、つぎのような他の実施の形態も包含する。
(4. Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes other embodiments as follows.
(1)前記各実施の形態では4極の回転電機を示したが、8極等の多極の回転電機にも本発明を適用できるのは当然である。極数に応じて永久磁石の配置位置、形状が幾分変ることはもちろんであり、作用と効果は同様に得られる。 (1) In each of the above embodiments, a four-pole rotating electric machine is shown, but the present invention is naturally applicable to a multi-pole rotating electric machine such as an eight-pole machine. Depending on the number of poles, the position and shape of the permanent magnets will of course change somewhat, and the action and effect can be obtained in the same way.
(2)磁極を形成する永久磁石において、保磁力と磁化方向の厚みの積をもって永久磁石を区別する定義をしている。従って、磁極は同じ種類の永久磁石で形成し、磁化方向厚みを異なるように形成しても同様な作用と効果が得られる。 (2) In the permanent magnet forming the magnetic pole, the permanent magnet is defined to be distinguished by the product of the coercive force and the thickness in the magnetization direction. Therefore, even if the magnetic poles are formed of the same type of permanent magnet and are formed so as to have different magnetization direction thicknesses, the same operation and effect can be obtained.
(3)前記回転子鉄心2において、固定磁力磁石の外周側に磁気障壁を構成するために設ける空洞の形状や位置、また、固定磁力磁石の内周側にその磁路断面積を決定するために設ける空洞の位置などは、使用する永久磁石の保磁力や磁化電流によって生じる磁界の強さなどに応じて、適宜変更できる。
(3) In the
(4)運転時に極短時間のパルス的なd軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、かつ、全磁石の誘起電圧に対して位相を進めた電流を連続的に通電させて、電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量を変化させる。 (4) During operation, the permanent magnet is magnetized by a magnetic field generated by a pulsed d-axis current for a very short time, and the amount of magnetic flux of the permanent magnet is irreversibly changed, and the phase is advanced with respect to the induced voltage of all the magnets. By continuously energizing the current, the amount of interlinkage magnetic flux of the armature winding generated by the current and the permanent magnet is changed.
すなわち、パルス電流で永久磁石の磁束量を減少させ、さらに電流位相を進めると、磁石磁束に対して逆方向の電流で生じる磁束が発生するので、これを相殺して、全鎖交磁束を減少でき、端子電圧を低下させることができる。なお、電流位相を進めることは負のd軸電流成分を流していることと等価である。 That is, if the amount of magnetic flux of the permanent magnet is reduced by the pulse current and the current phase is further advanced, magnetic flux generated by the current in the opposite direction to the magnetic flux is generated. Terminal voltage can be reduced. Note that advancing the current phase is equivalent to flowing a negative d-axis current component.
このような電流位相進み制御においては、電流位相を進めるとd軸電流が流れて磁石は減磁して幾分磁束量は減る。しかし、パルス電流で大きく減磁させているので、磁束量の低下は比率的には小さい利点がある。 In such current phase advance control, when the current phase is advanced, a d-axis current flows, the magnet is demagnetized, and the amount of magnetic flux is somewhat reduced. However, since the magnetic field is greatly demagnetized by the pulse current, there is an advantage that the reduction of the magnetic flux amount is small in proportion.
1…回転子
2…回転子鉄心
3…可変磁力磁石
4…固定磁力磁石
5…空洞(磁気障壁)
6…永久磁石端の空洞(磁気障壁)
7…磁極部
8…短絡コイル
DESCRIPTION OF
6. Cavity at the end of permanent magnet (magnetic barrier)
7 ...
Claims (17)
前記2種類以上の永久磁石を磁気回路上で直列に配置し、この直列に配置された2種類以上の永久磁石に対して、前記2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を磁気回路上で並列に配置し、
電機子巻線の電流が作る磁界により、前記直列に配置された2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて、磁極を構成する永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The magnetic pole of the rotor is formed by using two or more kinds of permanent magnets whose coercive force and magnetization direction thickness are different from those of other permanent magnets.
The two or more types of permanent magnets are arranged in series on the magnetic circuit, and the coercive force and the magnetization direction thickness of the two or more types of permanent magnets are compared with the two or more types of permanent magnets arranged in series. Permanent magnets with large product are arranged in parallel on the magnetic circuit,
A permanent magnet that forms a magnetic pole by magnetizing a permanent magnet having a small product of coercive force and magnetization direction thickness among the two or more types of permanent magnets arranged in series by a magnetic field generated by an armature winding current A permanent magnet type rotating electrical machine characterized by irreversibly changing the amount of magnetic flux.
前記各磁極において、磁極の中心部には、前記2種類以上の永久磁石を磁気回路上で直列に配置し、磁極の磁極間側には、前記直列に配置された2種類以上の永久磁石に対して、前記2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を磁気回路上で並列に配置し、
各磁極において、電機子巻線の電流が作る磁界により、前記直列に配置された2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて、磁極を構成する永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。 Each magnetic pole of the rotor is formed using two or more kinds of permanent magnets having a product of coercive force and magnetization direction thickness different from those of other permanent magnets.
In each of the magnetic poles, the two or more kinds of permanent magnets are arranged in series on the magnetic circuit at the center of the magnetic pole, and the two or more kinds of permanent magnets arranged in series are arranged between the magnetic poles of the magnetic poles. On the other hand, among the two or more types of permanent magnets, permanent magnets having a large product of coercive force and magnetization direction thickness are arranged in parallel on the magnetic circuit,
In each magnetic pole, the magnetic field created by the current of the armature winding is used to magnetize the permanent magnet having a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness among the two or more types of permanent magnets arranged in series. A permanent magnet type rotating electrical machine characterized by irreversibly changing the amount of magnetic flux of a permanent magnet to be constituted.
前記第1の磁極において、磁極の中心部には、前記2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石を配置し、第1の磁極の磁極間側には、前記2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を磁気回路上で並列に配置し、
前記第1の磁極の中心部に配置された保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石と、前記第2の磁極に配置された保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石を、磁気回路上で直列に配置し、
これら磁気回路上で直列に配置した第1の磁極の保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石と、第2の磁極の保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石に対して、第1の磁極の磁極間側に配置した前記保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石を、磁気回路上で並列に配置し、
前記第1の磁極において、電機子巻線の電流が作る磁界により、前記直列に配置された2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて、磁極を構成する永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The first magnetic pole formed by using two or more types of permanent magnets having a product of coercive force and magnetization direction thickness different from those of other permanent magnets, and the first magnetic pole arranged on both sides of the first magnetic pole are A magnetic pole of a rotor is formed from a second magnetic pole configured using a permanent magnet having a large product of a coercive force and a magnetization direction thickness among the two or more types of permanent magnets having different polarities,
In the first magnetic pole, a magnet having a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness among the two or more types of permanent magnets is arranged at the center of the magnetic pole. Among the two or more types of permanent magnets, permanent magnets having a large product of coercive force and magnetization direction thickness are arranged in parallel on the magnetic circuit,
A magnet having a small product of coercive force and magnetization direction thickness disposed in the center of the first magnetic pole, and a magnet having a large product of coercive force and magnetization direction thickness disposed in the second magnetic pole are magnetized. Placed in series on the circuit,
The first magnetic pole arranged in series on the magnetic circuit has a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness, and the second magnetic pole has a large product of the coercive force and the magnetization direction thickness. A magnet having a large product of the coercive force and the magnetization direction thickness disposed between the magnetic poles of one magnetic pole is disposed in parallel on the magnetic circuit;
In the first magnetic pole, a permanent magnet having a small product of coercive force and magnetization direction thickness is magnetized from the two or more types of permanent magnets arranged in series by the magnetic field generated by the current of the armature winding. A permanent magnet type rotating electrical machine characterized by irreversibly changing the amount of magnetic flux of a permanent magnet constituting a magnetic pole.
前記各磁極において、磁極の中心部には、前記2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、磁極の磁極間側には、磁極中心部の保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石を挟んで、前記2種類以上の永久磁石を磁気回路上で直列に配置し、
前記直列に配置された2種類以上の永久磁石に対して、磁極間側の保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を磁気回路上で並列に配置し、
各磁極において、電機子巻線の電流が作る磁界により、前記直列に配置された2種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて、磁極を構成する永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。 Each magnetic pole of the rotor is formed using two or more kinds of permanent magnets having a product of coercive force and magnetization direction thickness different from those of other permanent magnets.
In each of the magnetic poles, a permanent magnet having a large product of coercive force and magnetization direction thickness among the two or more types of permanent magnets is disposed at the center of the magnetic pole, and the center of the magnetic pole is disposed between the magnetic poles. The two or more types of permanent magnets are arranged in series on the magnetic circuit, with a magnet having a large product of the coercive force and the magnetization direction thickness interposed therebetween,
For two or more kinds of permanent magnets arranged in series, a permanent magnet having a large product of the coercive force between the magnetic poles and the magnetization direction thickness is arranged in parallel on the magnetic circuit,
In each magnetic pole, the magnetic field created by the current of the armature winding is used to magnetize the permanent magnet having a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness among the two or more types of permanent magnets arranged in series. A permanent magnet type rotating electrical machine characterized by irreversibly changing the amount of magnetic flux of a permanent magnet to be constituted.
前記磁気回路上で直列に配置される永久磁石は、保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石と保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石の2種類であり、この2種類の永久磁石を回転子の磁心内に重ねて配置することを特徴とする永久磁石式回転電機。 In the magnet type rotating electrical machine according to claim 1, claim 2 or claim 4,
There are two types of permanent magnets arranged in series on the magnetic circuit: a magnet having a small product of coercive force and magnetization direction thickness and a magnet having a large product of coercive force and magnetization direction thickness. A permanent magnet type rotating electrical machine, wherein magnets are arranged in a magnetic core of a rotor.
磁気回路上で並列に配置する磁石はほぼ一直線上か、V字上に配置されることを特徴とする永久磁石式回転電機。 In the permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 5,
A permanent magnet type rotating electrical machine characterized in that magnets arranged in parallel on a magnetic circuit are arranged substantially on a straight line or on a V-shape.
磁気回路上で並列に配置する磁石において、磁極の側面のほぼq軸上に配置される磁石と、磁極の中央部に配置される磁石から構成されることを特徴とする永久磁石式回転電機 In the permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 6,
A permanent magnet type rotating electrical machine comprising: a magnet disposed in parallel on a magnetic circuit, the magnet being disposed substantially on the q-axis of the side surface of the magnetic pole, and a magnet disposed in the center of the magnetic pole.
保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石の磁路中に磁気抵抗が大きくなる部分を設けることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 7,
A permanent magnet type rotating electrical machine characterized in that a portion having a large magnetic resistance is provided in a magnetic path of a magnet having a large product of coercive force and magnetization direction thickness.
回転子に短絡コイルを設けることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 8,
A permanent magnet type rotating electric machine, characterized in that a short-circuit coil is provided on a rotor.
q軸方向の磁気抵抗が磁石部を除くd軸方向の磁気抵抗よりも大きくすることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 9,
A permanent magnet type rotating electrical machine characterized in that the magnetoresistance in the q-axis direction is larger than the magnetoresistance in the d-axis direction excluding the magnet portion.
q軸方向のエアギャップ長はd軸方向のエアギャップ長よりも大きくすることを特徴とする永久磁石式回転電機 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 10,
The air gap length in the q-axis direction is larger than the air gap length in the d-axis direction.
電機子巻線の電流が作る磁界により、2種類以上の永久磁石のうち保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて永久磁石による鎖交磁束を不可逆的に減少させ、
この減少後に電流が作る磁界を前記と逆方向に発生させて、2種類以上の永久磁石のうち前記保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて鎖交磁束量を不可逆的に増加させることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 11,
The magnetic field created by the current of the armature winding magnetizes a permanent magnet having a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness among two or more types of permanent magnets to irreversibly reduce the interlinkage magnetic flux by the permanent magnets.
After this decrease, a magnetic field generated by the current is generated in the opposite direction to magnetize the permanent magnet having a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness among two or more types of permanent magnets, and the amount of flux linkage is irreversible. A permanent magnet type rotating electrical machine characterized in that it is increased.
d軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、永久磁石を磁化するd軸電流を流すと同時にq軸電流によりトルクを制御することを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 12,
The permanent magnet is magnetized by a magnetic field generated by a d-axis current to change the amount of magnetic flux of the permanent magnet irreversibly, and a torque is controlled by a q-axis current at the same time as a d-axis current for magnetizing the permanent magnet flows. Magnet rotating electric machine.
運転時にd軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、d軸電流で生じる磁束により電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量をほぼ可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 13,
During operation, the permanent magnet is magnetized by a magnetic field generated by a d-axis current to irreversibly change the amount of magnetic flux of the permanent magnet. A permanent magnet type rotating electrical machine characterized by being reversibly changed.
最大トルク時には永久磁石の全鎖交磁束が大となるように保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石を磁化させ、トルクの小さな軽負荷時及び中速回転域と高速回転域では、前記の保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石は、電流による磁界で磁化させて、永久磁石の全鎖交磁束を減少させることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 14,
Magnetize a permanent magnet whose product of coercive force and magnetization direction thickness is smaller than the others so that the total interlinkage magnetic flux of the permanent magnet is large at the maximum torque, and at light loads with small torque and at medium and high speed rotation ranges. Then, the permanent magnet type rotating electrical machine is characterized in that the permanent magnet having a product of the coercive force and the magnetization direction thickness smaller than the others is magnetized by a magnetic field caused by an electric current to reduce the total interlinkage magnetic flux of the permanent magnet.
磁極の磁石を不可逆変化させて鎖交磁束を最小にした状態で回転子が最高回転速度になったときに、永久磁石による誘導起電圧が、回転電機の電源であるインバータ電子部品の耐電圧以下とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 15,
When the rotor reaches the maximum rotation speed with the magnetic flux linkage minimized by irreversibly changing the magnetic pole magnet, the induced electromotive force of the permanent magnet is less than the withstand voltage of the inverter electronic component that is the power supply of the rotating electrical machine A permanent magnet type rotating electrical machine.
回転子を固定子に挿入して組み立てる時は、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石を減磁するか、極性を反転させることにより永久磁石の鎖交磁束量を減少させた状態とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 16,
When assembling the rotor into the stator, the permanent magnet with a small product of the coercive force and the magnetization direction thickness is demagnetized or the interlinkage magnetic flux of the permanent magnet is reduced by reversing the polarity. A permanent magnet type rotating electrical machine.
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